圓弧形三維機(jī)織物的設(shè)計(jì)與織造

呂 麗 華， 張 雪 飛， 李 叢 灘， 歐 陽(yáng) 學(xué) 燕

( 大連工業(yè)大學(xué) 紡織與材料工程學(xué)院, 遼寧 大連 116034 )

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圓弧形三維機(jī)織物的設(shè)計(jì)與織造

呂 麗 華， 張 雪 飛， 李 叢 灘， 歐 陽(yáng) 學(xué) 燕

( 大連工業(yè)大學(xué) 紡織與材料工程學(xué)院, 遼寧 大連 116034 )

對(duì)原有的橫向變截面正交立體機(jī)織物進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)出了圓弧形三維機(jī)織物。根據(jù)圓弧形三維機(jī)織物的經(jīng)向截面圖，設(shè)計(jì)其上機(jī)圖，在普通小樣織機(jī)上進(jìn)行試織，展示了上機(jī)織造的最終產(chǎn)品，并總結(jié)其上機(jī)參數(shù)及上機(jī)織造要點(diǎn)，對(duì)圓弧形三維機(jī)織物的應(yīng)用作了合理的預(yù)測(cè)。

三維機(jī)織物；圓弧形；普通織機(jī)；設(shè)計(jì)；織造

0 引 言

傳統(tǒng)的機(jī)織物由經(jīng)、緯兩個(gè)方向的紗線相互交織而形成，厚度主要是由經(jīng)緯紗的粗細(xì)以及他們之間存在的縫隙決定，所以織物厚度有限。隨著科技的發(fā)展和進(jìn)步，紡織復(fù)合材料逐漸興起，三維機(jī)織物作為紡織復(fù)合材料的增強(qiáng)體，憑借其優(yōu)良的性能，應(yīng)用前景廣闊。三維機(jī)織織物是由三個(gè)或者三個(gè)以上系統(tǒng)的紗線在X-Y-Z三個(gè)方向上取向，三個(gè)方向的紗線在不同的平面交織或者連接，最終形成一個(gè)三維整體結(jié)構(gòu)[1-3]。三維機(jī)織物憑借其良好的整體結(jié)構(gòu)性、力學(xué)性能優(yōu)良等特點(diǎn)備受關(guān)注，但是用專門的三維織機(jī)織造成本太高，難以推廣，所以在普通小樣織機(jī)上開發(fā)三維織物有很好的發(fā)展前景[4]。

楊小俠[5]論述了角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)三維織物的設(shè)計(jì)方法，并以正則角聯(lián)鎖和空口角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)為例，分析了這兩種結(jié)構(gòu)的貫穿方式，構(gòu)成參數(shù)的計(jì)算，組織圖與上機(jī)圖的特點(diǎn)以及織造時(shí)遇到的特殊問題等，其研究結(jié)論指出，通過合理的設(shè)計(jì)組織結(jié)構(gòu)及上機(jī)參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)在普通二維織機(jī)上織造三維機(jī)織物。蘇州大學(xué)的顧平[6]對(duì)多重緯角聯(lián)鎖機(jī)織物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要點(diǎn)作了分析，并介紹了該組織的設(shè)計(jì)方法。楊彩云等[7]提出了角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)的分類方法、角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律和設(shè)計(jì)理論。聶建斌[8]、盧士艷[9]等重點(diǎn)對(duì)角度聯(lián)鎖三維機(jī)織物及其變化織物的交織原理進(jìn)行分析，對(duì)其織物組織結(jié)構(gòu)、織物組織的設(shè)計(jì)要點(diǎn)以及織物形成過程進(jìn)行了探討。萬明達(dá)等[10]利用多臂小樣織機(jī)以玻璃纖維和芳綸為原料設(shè)計(jì)織造四層角聯(lián)鎖織物，并采用真空輔助成型法和手工成型法加工復(fù)合材料。唐予遠(yuǎn)等[11]指出，對(duì)1511S型織機(jī)進(jìn)行改造，用來生產(chǎn)三維機(jī)織預(yù)成形件是可行的。馬崇啟等[12]通過對(duì)織物組織設(shè)計(jì)過程中各相關(guān)因素的綜合分析，詳細(xì)介紹了玻璃纖維高厚布的織物組織設(shè)計(jì)方法。Huang等[13]發(fā)明的織造方法采用兩組經(jīng)紗，即分別由兩個(gè)紗軸供應(yīng)紗線，以滿足不同送經(jīng)量的要求。

基于當(dāng)前的研究現(xiàn)狀，作者設(shè)計(jì)了圓弧形三維機(jī)織物，并在普通小樣織機(jī)上試織。

1 圓弧形三維機(jī)織物的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 橫向變截面立體正交織物

圓弧形三維機(jī)織物的設(shè)計(jì)靈感來源于已有的橫向變截面正交立體機(jī)織物，其織造原理是織物根據(jù)厚度方向變化的不同來選擇經(jīng)紗的層數(shù)，同時(shí)引入緯紗與之交織，形成織物[14]。

圖1為橫向變截面正交立體機(jī)織物結(jié)構(gòu)圖，圖1中橫向截面總共分成3段，各層的緯紗分別為7、5、4層，經(jīng)紗則為6、5、3層。如此紗線層數(shù)依次呈遞減趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了織物截面的相應(yīng)變化，形成了變層數(shù)的三維機(jī)織物。在此基礎(chǔ)上，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了圓弧形三維機(jī)織物。

圖1 橫向變截面正交立體機(jī)織物結(jié)構(gòu)圖

1.2 圓弧形三維機(jī)織物的經(jīng)向截面圖設(shè)計(jì)

圖2為一種圓弧形三維機(jī)織物的經(jīng)向截面圖。圖中圓弧形三維機(jī)織物的一個(gè)完全組織循環(huán)由六根經(jīng)紗組成，其中紗線Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ為地經(jīng)紗，1、2為接結(jié)經(jīng)紗(也稱縫經(jīng)紗)。圖中的圓圈代表組織循環(huán)內(nèi)的緯紗，圓弧形織物的緯紗按比例遞增到最高層數(shù)時(shí)，再按比例遞減，形成一個(gè)圓弧形。接結(jié)經(jīng)紗與緯紗按正交的方式交織在一起形成三維正交式的織物。

貫穿正交結(jié)構(gòu)突破了傳統(tǒng)多層織物的概念，但是同二維織物一樣可以改變紗線的交織形式，產(chǎn)生不同的三維立體效果。從織物的經(jīng)向剖面圖可以推想，當(dāng)織物的厚度較小時(shí)，長(zhǎng)度方向的地經(jīng)紗與厚度方向的接結(jié)經(jīng)紗實(shí)質(zhì)上均可以沿織物的長(zhǎng)度方向延長(zhǎng)，因而可以在普通的小樣織機(jī)上進(jìn)行織造。

圖2 圓弧形三維機(jī)織物的經(jīng)向截面圖

2 圓弧形三維機(jī)織物織造

2.1 圓弧形三維機(jī)織物的上機(jī)圖設(shè)計(jì)

機(jī)織物的上機(jī)圖是指導(dǎo)織物上機(jī)織造的重要圖解，可以對(duì)織物的上機(jī)織造起到一定的指導(dǎo)作用。上機(jī)圖主要包括組織圖、穿筘圖、穿綜圖和紋板圖。

圖3為一種圓弧形三維機(jī)織物的上機(jī)圖。其組織圖根據(jù)織物經(jīng)向截面圖作出。一個(gè)組織循環(huán)共有6根經(jīng)紗，30根緯紗。

穿綜圖穿筘圖302928272625242322212019181716151413121110987654321組織圖紋板圖

圖3 圓弧形三維機(jī)織物的上機(jī)圖

Fig.3 Looming draft of arc-shape of three-dimensional

2.2 圓弧形三維機(jī)織物的上機(jī)工藝參數(shù)設(shè)計(jì)

穿綜：順穿法穿綜，把該循環(huán)的經(jīng)紗逐一順次的穿在每一頁(yè)綜框上。

穿筘：每筘一入。

經(jīng)緯紗循環(huán)數(shù)：

Rj=(N-1)+2；Rw=N(N+1)

式中：N表示緯紗的層數(shù)；Rj表示完全組織中經(jīng)紗循環(huán)數(shù)；Rw表示完全組織中緯紗循環(huán)數(shù)。

總經(jīng)根數(shù)：所包含的組織循環(huán)數(shù)與該循環(huán)的經(jīng)紗數(shù)的乘積。

2.3 圓弧形三維機(jī)織物小樣試織

(1)將經(jīng)紗卷繞到經(jīng)軸上；

(2)將經(jīng)軸上的經(jīng)紗依次取下按照組織圖，穿入相應(yīng)的綜框內(nèi)，根據(jù)經(jīng)密和織物的要求按一定的筘入數(shù)進(jìn)行穿筘；

(3)按照紋板圖釘植紋釘，并放入織機(jī)；

(4)調(diào)節(jié)經(jīng)紗張力，準(zhǔn)備打緯織造。

2.4 圓弧形三維機(jī)織物的上機(jī)織造要點(diǎn)

圓弧形織物的截面通過每層經(jīng)紗層數(shù)的變化來形成一種變化，紗線層數(shù)的變化使得織物形成一個(gè)圓弧形狀。理論上圓弧形織物屬于平板狀織物，上機(jī)織造要點(diǎn)：

(1)經(jīng)紗張力。在普通小樣織機(jī)上最難實(shí)現(xiàn)經(jīng)紗張力均勻的控制，因?yàn)槠胀ㄐ涌棛C(jī)上只有一個(gè)經(jīng)軸，而三維織物織造時(shí)由于有的經(jīng)紗浮長(zhǎng)線長(zhǎng)，特別是貫穿正交三維織物，有的地經(jīng)紗不參與緯紗的交織，而接結(jié)經(jīng)紗需要貫穿整個(gè)織物厚度方向，因此所需要的接結(jié)經(jīng)紗長(zhǎng)度比地經(jīng)紗要長(zhǎng)很多，經(jīng)紗張力必不均勻。本設(shè)計(jì)通過改造普通織機(jī)進(jìn)行雙軸織造或者接結(jié)經(jīng)紗用筒子架送經(jīng)，來實(shí)現(xiàn)經(jīng)紗張力的均勻。

(2)開口清晰度?？椩爝^程中因?yàn)榻?jīng)紗分的層數(shù)較多，經(jīng)紗密度過大，經(jīng)紗在交織的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)與相鄰的紗線重疊、交纏、黏結(jié)現(xiàn)象，織造高強(qiáng)低伸型紗線時(shí)顯得特別嚴(yán)重。為解決這一問題，可以在上機(jī)織造前對(duì)紗線進(jìn)行處理，如上漿、包纏等方法，提高高性能纖維的可織造性。

2.5 圓弧形三維機(jī)織物小樣試織成品

圓弧形三維機(jī)織物的上機(jī)織造成品如圖4所示。將圖4(b)中未參與交織的地經(jīng)紗浮長(zhǎng)線剪掉就是一個(gè)圓弧形狀。

圖4 圓弧形三維機(jī)織物小樣試織成品圖

3 圓弧形三維機(jī)織物的應(yīng)用

圓弧形三維機(jī)織物織造成功的實(shí)質(zhì)是通過改變紗線的層數(shù)實(shí)現(xiàn)的，每一截面中織入的紗線數(shù)量不同，厚度就不同，厚度差是實(shí)現(xiàn)圓弧形三維機(jī)織物織造的關(guān)鍵技術(shù)。通過合理設(shè)計(jì)織物厚度織造的圓弧形三維機(jī)織物為增強(qiáng)材料，澆筑樹脂高分子材料形成復(fù)合材料，其可應(yīng)用于房屋覆蓋材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的瓦片、琉璃瓦等裝飾材料。此種復(fù)合材料的強(qiáng)度高、耐腐蝕，日曬雨淋都不容易被破壞。 另一方面，若選用較細(xì)的特種紗線織造，調(diào)節(jié)織物織造的厚度和圓弧的彎曲程度，形成很細(xì)的小拱形，該類織物有望應(yīng)用于人造血管。

[1] 黃故,馬崇啟,林國(guó)財(cái),等.三維機(jī)織復(fù)合材料的研制[J].紡織學(xué)報(bào),1999,20(1):4-6.

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Design and weaving of arc shaped three-dimensional woven fabric

LYU Lihua, ZHANG Xuefei, LI Congtan, OUYANG Xueyan

( School of Textile and Material Engineering, Dalian Polytechnic University, Dalian 116034, China )

Arc-shaped 3D woven fabric was designed by improving the variable cross section orthogonal woven fabric. The drawing of machine was designed according to the cross sectional drawing of arc-shaped 3D woven fabric, and the final product weaving was showed in the ordinary loom. Its machine parameters and weaving points were summarized and the application of arc-shaped 3D woven fabric was predicted reasonably.

three-dimensional woven fabric; arc-shape; normal loom; design; woven

2015-04-15.

遼寧省高等學(xué)校優(yōu)秀人才支持計(jì)劃(LJQ2012047).

呂麗華(1978-)，女，副教授.

TS105.1

A

1674-1404(2016)06-0465-03

LYU Lihua, ZHANG Xuefei, LI Congtan, OUYANG Xueyan. Design and weaving of arc shaped three-dimensional woven fabric[J]. Journal of Dalian Polytechnic University, 2016, 35(6): 465-467.